Abstract

Actualmente las presas de materiales sueltos son la tipología cuya elección es más frecuente debido, en parte, a los grandes avances que se han hecho en el estudio de los materiales que se utilizan en este tipo de estructuras, a la gran facilidad de encontrarlos y a su bajo coste y, por otra parte, a su adaptabilidad a una amplia variedad de emplazamientos. Sin embargo, hay que tener en cuenta su gran vulnerabilidad frente a fenómenos de sobrevertido, que pueden comprometer seriamente la estructura e incluso causar su colapso. Es por todo esto que en los últimos años se está manifestando un interés creciente en el estudio del comportamiento de las presas de material sueltos frente a fenómenos extremos.

Esta tesina se enmarca en el contexto del proyecto XPRES del Plan Nacional I+D del Ministerio de Educación y Ciencia [2], cuyo principal objetivo es desarrollar un método computacional para el análisis de la evolución de la filtración, así como el seguimiento del proceso de rotura en las presas de escollera en caso de sobrevertido. Este objetivo requiere el desarrollo de dos modelos numéricos acoplables, uno que modelice el proceso de filtración en el cuerpo de la presa y otro que modelice la respuesta estructural. Se pretende abordar la validación de los algoritmos desarrollados por CIMNE para la modelización de la filtración y determinar cuál de ellos presenta las mejores características para su aplicación en casos reales. La validación se llevará a cabo utilizando Kratos, un código abierto C++ que se está desarrollando en CIMNE pensado para resolver problemas de multifísica mediante el método de los elementos finitos. Los resultados numéricos se compararán los datos experimentales proporcionados por CEDEX y UPM y los modelos teóricos obtenidos por UPM. Esta validación se centrará, principalmente, en el modelo en dos dimensiones, aunque se hará extensible al caso en tres dimensiones.

Abstract

La sencillez conceptual de la electrostática esconde todo un abanico de aplicaciones industriales que precisa de herramientas de cálculo numérico para su optimización. En particular, el diseño de aisladores para sistemas de alta tensión o de las cámaras de tratamiento de alimentos implica una cuidadosa elección de la geometría del sistema y materiales empleados. A la ayuda que supone el conocimiento de la distribución de los campos eléctricos asociados a cada prototipo desde el punto de vista de prestaciones del equipo (homogeneidad de campo, minimización de puntos triples), se añade la interesante posibilidad de contribuir a la comprensión del fenómeno físico (cómo se alteran los alimentos al aplicar un campo eléctrico intenso). Se recoge en las siguientes líneas la formulación desarrollada para escribir un código de resolución de problemas electrostáticos mediante el método de los elementos finitos, no tanto como nuevo problema sino como transición desde otras disciplinas como son la mecánica o transferencia de calor.

Abstract

The recent trend to replace Body-in-White components with carbon fibre laminates, known as “Body in Black”, has been taking hold in new vehicle designs. This is how various hybrids with a thermoplastic matrix are born, such as CAPET, which has titanium with carbon fibres in PEEK, CAPAAL, which has aluminium with carbon fibres and glass in PA 6, CATPUAL based on CAPAAL, with thermoplastic polyurethane matrix and aluminium sheets. This project includes the study and design of hybrid laminates that can replace a monolithic steel sheet. Analytical models based on the classical laminate theory and models based on the rule of mixtures were used to predict the mechanical behaviour of the material. The structural behaviour of a semi-product was analysed using finite element simulations. The results show that it is possible to obtain a weight reduction between 13% and 22% when using a hybrid laminate, but it is required to increase the thickness of the lamina up to 3 times compared to the metal. Subsequently, studies were carried out to measure the wetness of the surface and the adhesion resistance of a carbon fibre prepreg with PA6 matrix on aluminium. A life cycle analysis (LCA) of hybrid laminates designed to observe the environmental impact on energy consumption and carbon footprint was carried out. 

Abstract

 In certain relevant engineering problems, the mechanical field is strongly coupled with the temperature and mass transport fields. The solution to these problems is complex, especially when deformations are large. Therefore, numerical approximations are often used to find all the fields involved in the coupled problem, their effects, and their interactions. This article describes a finite element method discretization of the coupled problem of diffusion, temperature, and deformation, including the nonlinear range of deformations. The formulation takes into account all possible couplings between the three fields of study, and all the necessary details for its complete implementation are provided, filling a gap in the literature of these methods. Additionally, the article describes the thermodynamic foundation of coupled thermo-diffusive-mechanical problems, emphasizing the derivation of balance equations and constraints that follow from these condlaw of thermodynamics. The results of the article will be of interest tore searchers who need to implement the equations of coupled problems infinite element codes, particularly for applications in battery modeling, the behavior of metals under the effects of hydrogen, gels, etc.

Abstract

En algunos problemas relevantes de la ingeniería, el campo mecánico está fuertemente acoplado con el de temperatura y el de transporte de masa. La solución de estos problemas es compleja sobre todo cuando las deformaciones son grandes. Por ello, a menudo se acude a aproximaciones numéricas que pueden encontrar todos los campos involucrados en el problema acoplado, sus efectos y sus interacciones. En este artículo se describe una discretización por el método de los elementos finitos del problema acoplado de difusión, temperatura y deformación incluyendo el rango no lineal de deformaciones. La formulación tiene en cuenta todos los acoplamientos posibles entre los tres campos de estudio y se proporcionan todos los detalles necesarios para su completa implementación llenando un hueco de la literatura de estos métodos. Asimismo, el artículo describe la fundamentación termodinámica de los problemas acoplados termo-difusivo-mecánicos, insistiendo en la derivación de las ecuaciones de balance y restricciones que siguen de la segunda ley de la termodinámica. Los resultados del artículo serán de interés para investigadores que necesiten implementar las ecuaciones de problemas acoplados en códigos de elementos finitos y, en particular, para aplicaciones en el modelado de baterías, del comportamiento de metales bajo los efectos del hidrógeno, de geles, etc.

Abstract

En algunos problemas relevantes de la ingeniería, el campo mecánico está fuertemente acoplado con el de temperatura y el de transporte de masa. La solución de estos problemas es compleja sobre todo cuando las deformaciones son grandes. Por ello, a menudo se acude a aproximaciones numéricas que pueden encontrar todos los campos involucrados en el problema acoplado, sus efectos y sus interacciones. En este artículo se describe una discretización por el método de los elementos finitos del problema acoplado de difusión, temperatura y deformación incluyendo el rango no lineal de deformaciones. La formulación tiene en cuenta todos los acoplamientos posibles entre los tres campos de estudio y se proporcionan todos los detalles necesarios para su completa implementación llenando un hueco de la literatura de estos métodos. Asimismo, el artículo describe la fundamentación termodinámica de los problemas acoplados termo-difusivo-mecánicos, insistiendo en la derivación de las ecuaciones de balance y restricciones que siguen de la segunda ley de la termodinámica. Los resultados del artículo serán de interés para investigadores que necesiten implementar las ecuaciones de problemas acoplados en códigos de elementos finitos y, en particular, para aplicaciones en el modelado de baterías, del comportamiento de metales bajo los efectos del hidrógeno, de geles, etc.